"Физика", Андрюшечкин С.М.
Динамометр — прибор, которым измеряют силу в ньютонах. В практической работе его можно изготовить из пружины, указателя и шкалы: при действии силы пружина растягивается, а указатель перемещается. Чтобы прибор показывал не просто положение указателя, а значение силы, шкалу устанавливают на ноль без нагрузки и градуируют грузами известного веса. Затем находят цену деления и проводят измерения, не перегружая пружину.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Динамометр — прибор для измерения силы, а его показания выражают в ньютонах (Н). Силой можно, например, тянуть или толкать тело, и для сравнения таких воздействий нужен общий способ измерения. Самодельный прибор позволяет увидеть, как устройство связывает действие силы с показанием шкалы.
Сила упругости возникает, когда тело деформируют: растягивают, сжимают или сгибают. Она направлена так, чтобы противодействовать деформации и вернуть тело к исходной форме, если нагрузка не была слишком большой. Это свойство пружины и позволяет использовать её в динамометре.
Градуировка шкалы — нанесение на шкалу отметок, каждой из которых соответствует известное значение силы. Для этого прикладывают известные силы и отмечают, где при каждой из них оказывается указатель. Без градуировки можно заметить растяжение пружины, но нельзя определить силу в ньютонах.
Цена деления — значение силы, соответствующее одному промежутку между соседними отметками шкалы. Её находят по двум подписанным значениям: разность этих значений делят на число промежутков между ними. Цена деления нужна, чтобы считывать показания и оценивать точность измерения.
Пружина удлиняется, когда к ней прикладывают силу, потому что сила меняет её форму. Одновременно возникает сила упругости, направленная против растяжения и стремящаяся вернуть пружину обратно. Пока пружина работает в пределах упругой деформации, большему растяжению соответствует большая приложенная сила. Поэтому изменение длины можно превратить в способ измерения силы.
Для простого динамометра понадобятся пружина, указатель, шкала и крючок или другое крепление для нагрузки. Один конец пружины закрепляют, а второй соединяют с указателем, чтобы при растяжении тот перемещался вдоль шкалы. Шкалу располагают рядом с указателем: тогда движение пружины становится заметным и его можно соотнести с отметками. Все детали должны быть закреплены так, чтобы указатель не заедал и не смещался сам по себе.
Сначала прибор оставляют без нагрузки и смотрят, где находится указатель. Это положение отмечают как ноль, потому что в этот момент к пружине не приложена измеряемая сила. Нулевая отметка может оказаться в любом удобном месте шкалы, а не обязательно у её края. Если указатель сдвинут, шкалу или указатель нужно поправить до начала измерений.
Затем шкалу градуируют грузами, вес которых известен. Подвешивают груз, ждут, пока пружина перестанет колебаться, и отмечают положение указателя значением силы в ньютонах. Повторяя действие с грузами разного веса, получают несколько отметок и делят шкалу на участки. Использовать неизвестный груз нельзя: неизвестно, какое значение силы следует написать рядом с его положением.
Для измерения прибор надёжно закрепляют, прикладывают измеряемую силу к крючку и дожидаются остановки указателя. Показание считывают по шкале, глядя на неё прямо, чтобы не перепутать положение указателя из-за взгляда под углом. Перед отсчётом полезно проверить цену деления и убедиться, что указатель не выходит за пределы шкалы. Нельзя превышать допустимую нагрузку: чрезмерное растяжение может испортить пружину и сделать показания ненадёжными.
Таблица помогает пройти работу по порядку: сначала подготовить прибор, затем проверить ноль и нанести известные значения. После этого определяют цену деления и только потом измеряют неизвестную силу. В правом столбце удобно записывать наблюдения и результаты проверки на каждом этапе.
| Этап или характеристика | Что сделать | Что проверить или записать |
|---|---|---|
| Подготовка прибора | Закрепить пружину, указатель и шкалу; подготовить крючок для нагрузки. | Указатель свободно перемещается, детали надёжно держатся. |
| Установка нуля | Оставить пружину без нагрузки и отметить положение указателя. | Нулевая отметка соответствует ненагруженной пружине. |
| Градуировка шкалы | По очереди приложить грузы известного веса и отметить положения указателя. | Записать значения сил в ньютонах напротив соответствующих отметок. |
| Определение цены деления | Разность значений двух отметок разделить на число промежутков между ними. | Записать силу, соответствующую одному делению. |
| Измерение силы | Закрепить прибор, приложить силу к крючку и дождаться остановки указателя. | Считать показание по шкале, указать его в ньютонах и не перегружать пружину. |
Изготовлен прибор из пружины, указателя и шкалы. Требуется определить положение нуля. Ноль обозначает отсутствие измеряемой силы, поэтому сначала нужно убрать все грузы и не тянуть за крючок. После этого положение указателя можно использовать как начало отсчёта.
Ответ: нулевая отметка находится напротив указателя при ненагруженной пружине. Она не обязана совпадать с краем шкалы: важно, чтобы именно это положение соответствовало отсутствию нагрузки.
Груз весом 1 Н растянул пружину на 2 см. Нужно найти силу, соответствующую удлинению 6 см, если растяжение и сила пропорциональны. Сначала выясним, во сколько раз 6 см больше 2 см, а затем во столько же раз увеличим силу. Такое рассуждение применимо в пределах упругой деформации.
Ответ: отметке, соответствующей удлинению 6 см, нужно приписать 3 Н. Проверка простая: при линейной зависимости удвоение или утроение удлинения во столько же раз увеличивает силу.
Цена деления динамометра равна 0,5 Н. Указатель остановился на третьем делении после отметки 2 Н. Нужно найти показание и оценить возможную ошибку, если отсчёт сделан с погрешностью в одно деление. Сначала считаем деления от известной отметки, затем учитываем, насколько неточным может быть отсчёт.
Ответ: сила равна 3,5 Н, а при ошибке отсчёта в одно деление результат может отличаться примерно на 0,5 Н. Иначе говоря, возможное показание будет около 3,5 Н с отклонением на одно деление в ту или другую сторону.
Первая ошибка — считать, что нулевая отметка всегда совпадает с первым делением или краем шкалы. Так думают, потому что на многих приборах отсчёт начинается у края, но положение нуля определяется состоянием пружины, а не её местом на бумаге. Проверьте прибор без груза: указатель в этот момент и должен совпадать с нулём.
Вторая ошибка — градуировать шкалу грузами, не зная их веса. Само положение указателя не сообщает, какое значение в ньютонах нужно написать, поэтому такая шкала не будет измерять силу. Используйте только грузы с известным весом и записывайте соответствующие значения рядом с отметками.
Третья ошибка — находить цену деления по разности соседних подписанных чисел, не считая промежуточные промежутки. Она возникает, если смотреть только на числа и не замечать малые риски между ними. Чтобы проверить расчёт, сначала посчитайте интервалы между выбранными отметками, а затем разделите разность значений на их число.
Четвёртая ошибка — считывать показание под углом или во время колебаний указателя. При взгляде сбоку его положение относительно рисок кажется смещённым, а при движении трудно выбрать точное значение. Держите взгляд напротив шкалы и снимайте показание только после того, как указатель остановится.
Для работы нужно знать, что сила измеряется в ньютонах, и уметь читать шкалу измерительного прибора. Это позволяет правильно записать показание и не перепутать единицы измерения. При градуировке пригодятся знания о весе тела и силе тяжести: именно вес известных грузов используют как известные силы.
Самодельный динамометр показывает, как проявляется сила упругости и как её действие можно использовать для измерений. Этот опыт подготавливает к изучению закона Гука, который описывает связь между силой упругости и деформацией в пределах упругости. Позже понимание этой связи поможет разбираться в измерениях различных сил.
Почему пружина подходит для изготовления динамометра?
При действии силы пружина упруго растягивается, а после снятия нагрузки стремится вернуться к прежней длине. В пределах упругой деформации её удлинение связано с приложенной силой. Поэтому по положению указателя, связанного с пружиной, можно определить силу.
Как определить, где поставить нулевую отметку?
Оставьте пружину без груза и без приложенной измеряемой силы. Положение указателя в этот момент соответствует нулю и служит началом отсчёта. Ноль не обязательно совпадает с краем шкалы.
Как правильно проградуировать шкалу?
Сначала приложите известную силу, например подвесьте груз с известным весом, и отметьте положение указателя. Повторите это с другими известными силами, нанося соответствующие значения в ньютонах. Грузы нужно подвешивать осторожно и не превышать допустимую нагрузку на пружину.
Как найти цену деления самодельного прибора?
Возьмите две подписанные отметки и найдите разность их значений в ньютонах. Разделите эту разность на число промежутков между отметками: получится сила на одно деление. Считать нужно именно промежутки, а не сами риски.
Почему нельзя растягивать пружину сильнее допустимого?
При слишком большой нагрузке пружина может потерять упругость или деформироваться необратимо. Тогда после снятия силы она не вернётся к исходной длине, а показания прибора станут неверными. Поэтому измеряют только силы в допустимом для прибора диапазоне.
§ 13. Практическая работа «Изготовление динамометра и проведение измерений»
